摘要
传统钛合金的力学性能无法满足高强高韧的需求，而钛基复合材料可以将基体与增强相结合发挥各自优势。增强体的选择不仅需要具备高强高硬的特点还需要保证增强体与钛基体具备良好的润湿性以避免发生界面反应。本课题通过在基体中添加低密度、高熔点、高弹性模量、耐腐蚀且与TC4合金热膨胀系数相近的碳化硅相提高钛合金的机械性能。本文分别采用机械搅拌法制备碳化硅纳米线（SiCNW）增强TC4复合材料，球磨法制备碳化硅颗粒（SiCp）增强TC4复合材料。通过金相显微镜、X-ray衍射分析、扫描电子显微镜等分析手段对复合材料的显微组织、物相组成、拉伸断口进行表征，通过维氏硬度和万能电子试验机对复合材料力学性能测试。进一步采用热轧工艺，提高复合材料的致密度，研究了轧制态复合材料的微观组织、力学性能。 在不同温度下（900℃、1000℃、1100℃）制备出致密性良好的0.3wt%SiCNW/TC4复合材料，根据烧结温度对材料显微组织、致密度、力学性能的影响选定最佳烧结温度为1000℃，且后续实验的样品均在1000℃下制备。通过烧结态SiCNW/TC4复合材料显微组织发现TC4合金组织为典型的魏氏组织，当SiCNW含量为0.5wt%时组织开始向网篮组织转变。随着SiCNW含量的增加，晶粒尺寸细化，同时硬度得到提升。SiCNW含量为0.5wt%时，烧结态SiCNW/TC4复合材料屈服强度为893Mpa、抗拉强度为961Mpa，相较于纯TC4合金分别提高13.2%、6.7%，延伸率仅为4.0%。塑性下降的原因是团聚的SiCNW削弱了基体与增强相之间的结合力，在断裂面上的SiCNW周围产生了一些微空洞和裂纹。SiCNW/TC4复合材料的强化机制主要为晶粒细化、载荷传递机制。同为TC4基体的烧结态SiCp/TC4复合材料组织也均为魏氏组织，且相组成为α-Ti、β-Ti，随着SiCp的加入晶粒尺寸得到更大程度的细化，复合材料的维氏硬度相较于TC4合金提升了19%。室温拉伸测试结果表明，SiCp的加入能够使复合材料的强度显著增强，当SiCp含量为0.5wt%时，复合材料的屈服强度和抗拉强度分别为1053MPa和1144MPa，而延伸率随着SiCp含量的增加而降低。烧结态SiCp/TC4复合材料室温表现出典型的塑性断裂模式。从断口纵截面SEM结果分析表明，裂纹主要发生在第二相粒子TiC与基体之间的界面。SiCp/TC4复合材料的强化机制包括晶粒细化、载荷传递和位错增强机制。 经过900℃、变形量75%轧制后SiCNW/TC4、SiCp/TC4复合材料强塑性表现出良好的综合性能。其中0.5SiCNW/TC4轧制态复合材料的屈服强度为1143MPa、抗拉强度为1270MPa，延伸率为4.1%。0.5SiCp/TC4轧制态复合材料的屈服强度为1113MPa、抗拉强度为1233MPa，延伸率为8.8%。烧结态、轧制态SiCp/TC4复合材料因增强体均匀分散及第二相颗粒的存在其力学性能相对较好。 无论烧结态还是轧制态SiCp/TC4复合材料由于增强相的均匀分散性较好，其力学性能较SiCNW/TC4复合材料更优。不同形态碳化硅相的加入有利于提高TC4复合材料的强度，而高含量的碳化硅加入容易发生脆断。硅元素和碳元素与TC4合金化处理将是一个新的出发点。
NETL